JP2010526745A - Composite counterweight and method for making composite counterweight - Google Patents
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Abstract
複合材料は、工業プロセスの廃棄副産物として生成される粒子状材料と、この粒子状材料を均質な塊になるように結合するバインダーとからなる。粒子状材料及びバインダーは、事前に選択された割合で混合され、事前に選択された密度及び決まった構成を有するカウンターウェイトを形成するように圧縮される。カウンターウェイトは、工業プロセスの廃棄副産物として生成される粒子状材料の第1の割合を選択し、粒子状材料を均一な塊になるように結合するバインダーの第2の割合を選択し、均質な塊になるように第1の割合の粒子状材料を第2の割合のバインダーと混合し、均質な塊からカウンターウェイトを形成し、及びカウンターウェイトを最終製品に組み込むことによって製造される。 Composite materials consist of particulate material that is produced as a waste by-product of an industrial process and a binder that binds the particulate material into a homogeneous mass. The particulate material and binder are mixed in a preselected proportion and compressed to form a counterweight having a preselected density and a fixed configuration. The counterweight selects a first proportion of particulate material produced as a waste by-product of the industrial process, selects a second proportion of binder that binds the particulate material into a uniform mass, and produces a homogeneous Produced by mixing a first proportion of particulate material with a second proportion of binder to form a mass, forming a counterweight from the homogeneous mass, and incorporating the counterweight into the final product.
Description
一態様では、本発明は、カウンターウェイトに関する。別の態様では、本発明は、高密度粒子状廃材から製造されるカウンターウェイトに関する。 In one aspect, the invention relates to a counterweight. In another aspect, the invention relates to a counterweight made from high density particulate waste material.
[関連出願の相互参照]
本願は、2007年4月13日付けで出願された米国特許出願第11/735,059号の利益を主張し、当該出願の全体が本明細書に援用される。
[Cross-reference of related applications]
This application claims the benefit of US patent application Ser. No. 11 / 735,059, filed Apr. 13, 2007, which is hereby incorporated by reference in its entirety.
1台の機械、車両、又は1点の家具において、偏心荷重の釣り合いを取ることが、多くの場合に必要である。カウンターウェイトは、この目的で利用される。通常、このようなカウンターウェイトは、物品に組み込まれている。美的制約及びサイズの制約により、カウンターウェイトの寸法を最小化する必要があることが多い。したがって、高密度の材料が利用されている。 It is often necessary to balance the eccentric load in a single machine, vehicle or piece of furniture. The counterweight is used for this purpose. Normally, such a counterweight is incorporated in an article. Due to aesthetic and size constraints, it is often necessary to minimize the size of the counterweight. Therefore, high-density materials are used.
高密度のカウンターウェイト材料は通常、鋼、鉄、及び同様の高密度金属から成る。しかしながら、そのような材料は高価である。 High density counterweight materials typically consist of steel, iron, and similar high density metals. However, such materials are expensive.
一般に埋立地又は海上で廃棄される製造副産物及び他の廃材の代替的な用途を見付けることが、ますます必要とされている。精錬、製鋼、及び他の鋳造作業の副産物である材料は、比較的高密度であることが多い。これは、容易に入手可能であり、高密度金属の費用と比べて経済的である。しかしながら、このような材料は、通常はばらばらの顆粒状の状態で生成されることで、カウンターウェイトとして使用し難い。 There is an increasing need to find alternative uses of manufacturing by-products and other waste materials that are generally disposed of in landfills or at sea. Materials that are a by-product of refining, steelmaking, and other casting operations are often relatively dense. This is readily available and economical compared to the cost of high density metals. However, such a material is usually produced in a discrete granular state and is difficult to use as a counterweight.
本発明の第1の実施の形態では、複合材料が、工業プロセスの廃棄副産物として生成される粒子状材料と、粒子状材料を均質な塊になるように結合するバインダーとからなる。粒子状材料及びバインダーは、事前に選択された割合で混合されて、事前に選択された密度及び決まった構成を有するカウンターウェイトを形成するように圧縮される。 In the first embodiment of the present invention, the composite material comprises a particulate material produced as a waste by-product of an industrial process and a binder that binds the particulate material into a homogeneous mass. The particulate material and binder are mixed at a preselected ratio and compressed to form a counterweight having a preselected density and a defined configuration.
本発明の第2の実施の形態では、カウンターウェイトを製造する方法が、工業プロセスの廃棄副産物として生成される粒子状材料の第1の割合を選択する工程と、粒子状材料を均一な塊になるように結合するバインダーの第2の割合を選択する工程と、均質な塊になるように第1の割合の粒子状材料を第2の割合のバインダーと混合する工程と、均質な塊からカウンターウェイトを形成する工程と、カウンターウェイトを最終製品に組み込む工程とからなる。 In a second embodiment of the present invention, a method for manufacturing a counterweight includes a step of selecting a first proportion of particulate material generated as a waste byproduct of an industrial process, and the particulate material is made into a uniform mass. Selecting a second percentage of binder to be bound, mixing a first percentage of particulate material with a second percentage of binder to form a homogeneous mass, and countering from the homogeneous mass The process includes a process of forming a weight and a process of incorporating the counterweight into the final product.
本発明の実施形態は、本明細書では、選択された割合で混合されて選択された密度の概ね均質な材料になるように圧縮される顆粒状又は粒子状廃材及び熱可塑性又は熱硬化性バインダーの複合混合物からなるものとして説明される。圧縮された材料は、様々な用途に合わせて、選択されたサイズで製造されて安価なカウンターウェイトとして利用され得る。好ましい用途は、ファイリングキャビネットのカウンターウェイトである。 Embodiments of the present invention are described herein as granular or particulate waste materials and thermoplastic or thermosetting binders that are mixed at a selected ratio and compressed to a generally homogeneous material of a selected density. It is described as consisting of a complex mixture of The compressed material can be manufactured in a selected size and used as an inexpensive counterweight for various applications. A preferred application is a counterweight of a filing cabinet.
カウンターウェイトは、ミルスケール(mill scale)、酸素炉浄化器グリット(oxygen furnace clarifier grit)、タコナイト鉱山尾鉱等の様々な廃材から作製され得る。材料の適性を決定する主要因は、材料の密度である。他の要因としては、粒径の均一性及び廃材を構成する成分の割合が挙げられる。 The counterweight may be made from various waste materials such as a mill scale, an oxygen furnace clarifier grit, a taconite mine tailings and the like. The main factor that determines the suitability of a material is the density of the material. Other factors include the uniformity of the particle size and the proportion of the components that make up the waste material.
ミルスケールは、鉄鋼生産の副産物である。溶鋼を用いてスラブが生産され、スラブは、選択された厚さのスラブを生産するように、冷却プロセス時にローラによって加工される。スラブが一連のローラを通過すると、スラブの表面上に酸化鉄の薄層ができる。スラブの表面に高圧水をあてることで、「スケール」と呼ばれる酸化物が除去される。得られるスケール及び水の混合物は、回収され、スケールを水から分離するように濾過される。スケールは、非有害廃材として廃棄される。 Mill scale is a byproduct of steel production. A slab is produced using molten steel and the slab is processed by rollers during the cooling process to produce a slab of a selected thickness. As the slab passes through a series of rollers, a thin layer of iron oxide forms on the surface of the slab. By applying high pressure water to the surface of the slab, an oxide called “scale” is removed. The resulting scale and water mixture is recovered and filtered to separate the scale from the water. The scale is discarded as non-hazardous waste material.
スケールは通常、70重量%を超える酸化鉄を含有する均質なフレーク状又は顆粒状材料である。マンガン、炭素、珪素、アルミニウム、クロム、鉛、亜鉛、及び他の金属等の他の成分が、概して1%未満の割合で存在している。これは、5.0を超える比重を有する常時安定した不活性材料である。 The scale is usually a homogeneous flaky or granular material containing more than 70% by weight of iron oxide. Other components such as manganese, carbon, silicon, aluminum, chromium, lead, zinc, and other metals are generally present in a proportion of less than 1%. This is a constantly stable inert material having a specific gravity of greater than 5.0.
酸素炉浄化器グリットは、塩基性酸素炉で用いられる製鋼所排ガススクラバーによって生成される廃棄物である。グリットは通常、76%を超える酸化鉄と、それよりも少ない割合の酸化カルシウム、炭素、マンガン、亜鉛、クロム、鉛、及び他の成分を概して含有する均質な顆粒状又は粒子状材料である。これは、概して安定且つ不活性であり、約7.0の比重を有する。 An oxygen furnace purifier grit is waste produced by a steel mill exhaust gas scrubber used in a basic oxygen furnace. Grit is usually a homogeneous granular or particulate material that generally contains more than 76% iron oxide and a lower proportion of calcium oxide, carbon, manganese, zinc, chromium, lead, and other ingredients. It is generally stable and inert and has a specific gravity of about 7.0.
スクラバーは通常、酸素炉排ガスからの微粒子を集めて除去するためにクローズドループ・ウオーターシステムを利用する。グリットは、スクラバープロセスの一部として水と混合されたときにスラッジの形態で生成され得る。大粒子及び重質留分は、水性スラッジから機械的に除去され、より細かい粒子は、浄化器に回収されてフィルタープレスを用いて脱水される。集められたグリット及び微粒子は、通常は非有害廃材として廃棄される。 Scrubbers typically use a closed loop water system to collect and remove particulates from the oxygen furnace exhaust. Grit can be produced in the form of sludge when mixed with water as part of the scrubber process. Large particles and heavy fractions are mechanically removed from the aqueous sludge and finer particles are collected in a clarifier and dehydrated using a filter press. Collected grit and particulates are usually discarded as non-hazardous waste material.
タコナイト採鉱廃物は、2つの形態のうちの一方で生成される。この廃物は、処理に十分な鉱石を含有しておらず廃棄すべきである岩盤、又は鉱石含有岩の本質的部分であり処理時に除去しなければならない不要な鉱物を含む。この材料は、「尾鉱」(tailing)と呼ばれる。タコナイト尾鉱は、主に55重量%〜60重量%の割合の石英、続いて8%〜12%のヘマタイト、及び10%未満の割合の含鉄炭酸塩、珪酸塩、磁鉄鉱を含有している。微量濃度の重金属も、尾鉱内に見られることが多い。 Taconite mining waste is produced in one of two forms. This waste includes bedrock that does not contain sufficient ore for processing and should be discarded, or unwanted minerals that are an essential part of the ore-containing rock and must be removed during processing. This material is called “tailing”. Taconite tailings contain mainly 55% to 60% by weight quartz followed by 8% to 12% hematite and less than 10% iron-containing carbonates, silicates and magnetite. Trace concentrations of heavy metals are also often found in tailings.
これらの廃棄物のそれぞれを、カウンターウェイト材料として利用することができる。ミルスケールは、容易に入手可能であり、高密度成分の割合が大きく、且つ概ね均一な粒径分布であるため、カウンターウェイトの生産に特に適していることが分かっている。 Each of these wastes can be used as a counterweight material. Mill scales have been found to be particularly suitable for counterweight production because they are readily available, have a high proportion of high density components, and a generally uniform particle size distribution.
次に、本発明によるカウンターウェイトの生産を、ミルスケールの使用に関して説明する。しかしながら、酸素炉浄化器グリット及びタコナイト尾鉱等の他の廃材に関しても、プロセスは概して同じである。基本的なプロセスは、最適な密度のカウンターウェイトを提供するために選択された割合でバインダーをミルスケールと混合することを含む。好ましいバインダーは、熱可塑性又は熱硬化性材料を含むことが分かっている。 Next, the production of the counterweight according to the present invention will be described with respect to the use of a mill scale. However, the process is generally the same for other waste materials such as oxygen furnace purifier grit and taconite tailings. The basic process involves mixing the binder with the mill scale in a selected proportion to provide an optimal density counterweight. Preferred binders have been found to include thermoplastic or thermoset materials.
熱可塑性又は熱硬化性バインダーは、高密度ポリエチレン又はポリプロピレン等のポリオレフィン、フェノール、メチレンジフェニルジイソシアネート等を含み得る。バインダーは、未使用の材料、又は再生粉体コーティング若しくは他の一般的に再生される熱可塑性又は熱硬化性材料等の再生材料を含み得る。他の適当なバインダーとしては、「水ガラス」としても知られている珪酸ナトリウム等の非高分子材料、又はモラッセと石灰との混合物が挙げられる。特に廃材がバインダーとして用いられる場合、熱可塑性材料を選択された粒径に前処理するか、又は不純物若しくは汚染物を除去することが必要であり得る。 The thermoplastic or thermosetting binder may include polyolefins such as high density polyethylene or polypropylene, phenol, methylene diphenyl diisocyanate, and the like. The binder may include virgin materials or recycled materials such as recycled powder coatings or other commonly recycled thermoplastic or thermoset materials. Other suitable binders include non-polymeric materials such as sodium silicate, also known as “water glass”, or a mixture of molasses and lime. It may be necessary to pre-treat the thermoplastic material to a selected particle size or remove impurities or contaminants, particularly when waste material is used as the binder.
図1を参照すると、ミルスケール12は、製鋼所等の適当な生成源10から得られる。カウンターウェイトの生産におけるオプションの第1の工程は、ドライヤー16でミルスケールを乾燥させて、存在している場合がある余分な水分を追い出すことである。乾燥後のミルスケール18の水分含有量は、12重量%以下とするべきである。好ましい水分含有量は、2重量%である。図1に示すように、乾燥は、ミルスケールをバインダーと混合する前に行われ得る。代替的に、本明細書で後述するように、ミルスケールは、混合装置又は組み合わせ混合/押出装置においてミルスケールをバインダーと混合するプロセス中に乾燥させることができる。乾燥は、必要ない場合もあるが、最終製品の製造及びその結果として得られる密度をより正確に制御するためには好ましい。
Referring to FIG. 1,
ミルスケール18は、篩分け装置24へ送られる混合物28を生成するようにさらに処理及び粉砕済みであるオーバーサイズの材料26と組み合わせられ得る。ミルスケール22は、選択された最終製品に組み込むには大きすぎるか又は事前に選択された粒度分布外に入る粒子26を除去するように篩分けされる。粒径分布は、0.1mm〜12.5mmの範囲であり得る。好ましい粒径は、0.5mm〜6.25mmである。
The
篩分けされた材料27が貯蔵槽29へ送られる一方で、オーバーサイズの材料26は、選択された粒度分布になるようにさらに処理するために粉砕装置20へ送られる。粉砕は、選択された粒度分布内に入る材料を生成するための必要に応じた付加的な篩分け及び粉砕によって達成され得る。ミルスケールが供給源から届く際の粒径分布によっては、篩分け及び粉砕工程をなくすことができる。粉砕及び篩分けされたミルスケール27は、続いて貯蔵槽29へ送られる。
熱可塑性又は熱硬化性バインダー14も、特に再生材料である場合、不要な成分又は汚染物を除去するため又は事前に選択された粒径分布を得るために必要に応じて処理される。バインダー14は、バインダー槽30内に貯蔵されてから、組み合わせ混合/押出装置50又は混合ステーション32(図2及び図3)において貯蔵槽29からのミルスケールと組み合わせられる。
The thermoplastic or
ミルスケール27及び/又はバインダー14は、混合/押出装置50又は混合ステーション32への2成分の導入前に加熱され得る。混合/押出装置50又は混合ステーション32におけるバインダー及びミルスケールの混合及び加工は、バインダーを所望の加工可能状態にするのに十分な熱を発生させるため、熱可塑性プラスチックは、通常は予熱の必要がない。高密度ポリエチレンではこのようにして約180°Fの温度が発生し得ることが分かっている。熱硬化性プラスチックは、通常は高温を必要とするが、これには外部熱源の使用が必要である。熱硬化性材料は、通常は325°F〜500°Fの温度に加熱される。この加熱は、混合/押出装置50又は混合ステーション32において行われ得る。バインダーの温度は、利用される特定の熱可塑性又は熱硬化性バインダーと、材料の混合及び得られる混合物の均質性を促すために複合材料に望まれる加工性とに主に基づいて選択される。
ミルスケールとバインダーの加熱及び混合には、いくつかの代替的な加熱方法を用いることができる。或るプロセスでは、ミルスケール及びバインダーが、別個に加熱されてから混合される。別のプロセスでは、室温のミルスケールが、加熱されたバインダーと混合される。別のプロセスでは、ミルスケール及びバインダーが室温で混合され、続いて混合物全体が混合装置において加熱される。さらに別のプロセスでは、ミルスケール及びバインダーが、室温で混合されて、混合物に対する混合装置の剪断作用によって加熱される。混合作用によって発生する温度は、熱硬化性バインダーに不十分であるため、これは概して熱可塑性バインダーにしか有効でない。 Several alternative heating methods can be used to heat and mix the mill scale and binder. In some processes, the mill scale and binder are heated separately and then mixed. In another process, a room temperature mill scale is mixed with a heated binder. In another process, the mill scale and binder are mixed at room temperature, and then the entire mixture is heated in a mixing device. In yet another process, the mill scale and binder are mixed at room temperature and heated by the shearing action of the mixing device on the mixture. This is generally only effective for thermoplastic binders because the temperature generated by the mixing action is insufficient for thermosetting binders.
図1を参照すると、ミルスケール及びバインダーを処理した後、材料は、槽29、30から組み合わせ混合/押出装置50へ送られ得る。適切な組み合わせ混合/押出装置は、イリノイ州アディソンのCDL Technology Inc.によって製造されている一軸又は二軸スクリュー押出装置である。混合/押出装置50における混合プロセスは、熱可塑性バインダーを所望の程度の加工性まで加熱するのに十分であり得る。混合/押出装置50は、ミルスケール及びバインダーを混合して、選択された密度及び寸法の複合製品38にする。
Referring to FIG. 1, after processing the mill scale and binder, the material can be sent from the
複合材料は、続いて冷却チャンバ40に通されて空気又は水を用いて冷却され、続いて機械加工装置42において機械加工されて、完成品になる。機械加工は、材料の完全な冷却及び硬化が行われたら完了させてもよく、又は混合物がまだ多少温かくて柔軟であるうちに完了させてもよい。続いて、完成品44が、ファイルキャビネット46等のカウンターウェイトを必要とする物品のさらなる製造において利用され得る。
The composite material is then passed through a cooling
ミルスケール及びバインダーを混合して複合製品を形成する代替的なプロセスを図2に示す。この実施形態では、ミルスケール及びバインダーは、上述のように処理されて槽29、30内に貯蔵される。槽29、30からの材料は、コネチカット州アンソニアのFarrel Corporationによって製造されているBanbury(登録商標)インターナルバッチミキサ等の、ミルスケール及びバインダーを混合して複合材料34にするための適当な混合装置32へ送られる。組み合わせ混合/押出装置50と同様に、混合装置32における混合プロセスは、熱可塑性バインダーを所望の程度の加工性まで加熱するのに十分であり得る。混合後、複合材料34は、選択された完成品の寸法を有する製品を提供するように構成されているダイ54へ送られる。材料34は、適当なプレス装置52によってダイ54内で選択された密度に圧縮される。圧縮プロセスを容易にするために、混合物が或る程度冷却された後で圧縮が行われることが予想される。上述のように、材料は、続いてダイ54から取り出され、冷却され、機械加工される。
An alternative process for mixing the mill scale and binder to form a composite product is shown in FIG. In this embodiment, the mill scale and binder are processed and stored in
ミルスケール及びバインダーを混合して複合製品を形成する第3のプロセスを図3に示す。この実施形態では、ミルスケール及びバインダーは、上述のように処理されて槽29、30内に貯蔵される。槽29、30からの材料は、混合装置32において混合される。加熱及び混合後、混合物34が、押出装置36において押し出されて選択された密度及び寸法の複合製品38になる。押出プロセス及び押出装置は、選択されたサイズ及び密度の製品を提供するように適合させることができる。
A third process for mixing the mill scale and binder to form a composite product is shown in FIG. In this embodiment, the mill scale and binder are processed and stored in
ミルスケール及びバインダーの相対的な割合は、ミルスケールの単位重量、利用される熱可塑性又は熱硬化性バインダーのタイプ、及び最終製品の目標密度のような因子に応じて決まる。ミルスケール及びバインダーの好ましい割合は、ミルスケールが95重量%でバインダーが5重量%である。しかしながら、80重量%〜98重量%のミルスケール及び2重量%〜20重量%のバインダーが適していることが分かっている。ファイルキャビネットで用いるためのカウンターウェイトの目標密度は、51%の鋼密度、又は約250ポンド/立方フィート(pounds per cubic foot(pcf))である。しかしながら、達成可能な密度は、170pcf〜340pcfの範囲であり得る。 The relative proportions of mill scale and binder depend on factors such as the unit weight of the mill scale, the type of thermoplastic or thermosetting binder utilized, and the target density of the final product. The preferred proportions of mill scale and binder are 95% by weight of mill scale and 5% by weight of binder. However, 80% to 98% by weight mill scale and 2% to 20% by weight binder have been found suitable. The target density of the counterweight for use in the file cabinet is 51% steel density, or about 250 pounds / cubic foot (pcf). However, the achievable density can range from 170 pcf to 340 pcf.
より高い密度の製品を提供するために、ミルスケール及びバインダーの加熱及び混合の時点で、釘、ねじ等の製造において得られるスクラップ等の鋼スクラップを加えてもよい。 To provide a higher density product, steel scrap such as scrap obtained in the manufacture of nails, screws, etc. may be added at the time of mill scale and binder heating and mixing.
本発明をそのいくつかの具体的な実施形態に関して具体的に説明してきたが、これが例示としてであり限定としてではないことを理解されたい。添付の特許請求の範囲に定義されている本発明の趣旨から逸脱せずに、上記の開示及び図面の範囲内で妥当な変形及び変更が可能である。 Although the present invention has been specifically described with respect to several specific embodiments thereof, it should be understood that this is by way of example and not limitation. Reasonable variations and modifications are possible within the scope of the above disclosure and drawings without departing from the spirit of the invention as defined in the appended claims.
Claims (22)
工業プロセス(10)の廃棄副産物として生成される粒子状材料(12)、及び
前記粒子状材料(12)を均質な塊になるように結合するバインダー(14)、
からなり、前記粒子状材料(12)及び前記バインダー(14)は、事前に選択された割合で混合されて、事前に選択された密度及び決まった構成を有するカウンターウェイトを形成するように圧縮される、複合材料。 A composite material,
Particulate material (12) produced as a waste byproduct of the industrial process (10), and a binder (14) that binds the particulate material (12) into a homogeneous mass,
The particulate material (12) and the binder (14) are mixed in a preselected proportion and compressed to form a counterweight having a preselected density and a defined configuration. A composite material.
工業プロセス(10)の廃棄副産物として生成される粒子状材料(12)の第1の割合を選択する工程、
前記粒子状材料を均一な塊になるように結合するバインダー(14)の第2の割合を選択する工程、
均質な塊(38)になるように前記第1の割合の前記粒子状材料(12)を前記第2の割合の前記バインダー(14)と混合する工程、
前記均質な塊から前記カウンターウェイトを形成する工程、及び
前記カウンターウェイトを最終製品(46)に組み込む工程、
からなる、カウンターウェイトを製造する方法。 A method of manufacturing a counterweight,
Selecting a first proportion of particulate material (12) produced as a waste byproduct of the industrial process (10);
Selecting a second proportion of binder (14) that binds the particulate material into a uniform mass;
Mixing the first proportion of the particulate material (12) with the second proportion of the binder (14) to form a homogeneous mass (38);
Forming the counterweight from the homogeneous mass, and incorporating the counterweight into a final product (46);
A method for manufacturing a counterweight.
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